تزریق هیدروژن (H₂) به کورههای بلند (BF) اغلب بهعنوان یک فناوری انتقالی برای کربنزدایی فولاد دیده میشود. با این حال، این روش از نظر بهرهوری هیدروژن ضعیف است، با محدودیتهای فنی روبهرو است و قادر به دستیابی به کاهش عمیق انتشار نیست. حتی در بهترین سناریوها، کاهش انتشار در سطحی بسیار پایینتر از وضعیت خنثی کربنی باقی میماند و حجم زیادی از دیاکسیدکربن (CO₂) همچنان منتشر میشود که با افزایش قیمت کربن، به یک بدهی اقتصادی فزاینده تبدیل خواهد شد.
در مقایسه، احیای مستقیم مبتنی بر هیدروژن (H₂-DRI) همراه با برق تجدیدپذیر بسیار کارآمدتر است — به ازای هر تن فولاد ۴۰ تا ۶۰ درصد هیدروژن کمتری نیاز دارد و قادر است به انتشار نزدیک به صفر دست یابد. از نظر هزینه بهازای هر تن CO₂ اجتنابشده، H₂-DRI همین حالا هم مسیر جذابتری برای رقابتپذیری بلندمدت محسوب میشود.
درک تفاوتهای بهرهوری و پایداری بلندمدت مسیرهای مختلف کربنزدایی همچنان برای ترسیم آینده فولاد حیاتی است. پرسشهایی همچون هزینه اجتناب از انتشار، تخصیص استراتژیک سرمایه بین فناوریهای گذار و تحولآفرین، و نقش سیاست در هدایت سرمایهگذاریها، پیچیدگی این انتخابها را نمایان میسازد.
تزریق هیدروژن به کوره بلند در صنعت فولاد
استفاده از هیدروژن بهعنوان عامل کاهنده سنگآهن، به جای کک، بهعنوان یک اقدام کربنزدایی مورد توجه قرار گرفته است، زیرا در طی فرایند کاهش، به جای CO₂، آب تولید میکند. فولادسازان جهان هماکنون در حال آزمایش همسوزی هیدروژن در BF هستند — آلایندهترین بخش تولید فولاد اولیه — با هدف کاهش شدت کربنی تولید فولاد و استفاده از زیرساختهای موجود.
• در هند، شرکت تاتا استیل در آوریل ۲۰۲۳ یک آزمایش چندروزه تزریق هیدروژن را در کارخانه جامشِدپور انجام داد و گزارش داد که امکان کاهش حدود ۱۰٪ مصرف کک وجود دارد که معادل کاهش ۷ تا ۱۰٪ CO₂ بهازای هر تن فولاد خام است.
• در ژاپن، شرکت نیپون استیل در دسامبر ۲۰۲۴ اعلام کرد که کوره آزمایشی ۱۲ متر مکعبی Super COURSE50 توانسته تا ۴۳٪ کاهش انتشار CO₂ نشان دهد و از ۲۰۲۶ تجهیزات لازم برای تزریق گاز غنی از هیدروژن به کوره شماره ۲ کیمیتسو نصب خواهد شد.
• در چین، شرکت باوو استیل در سال ۲۰۲۲ نخستین کوره HyCROF با حجم ۴۰۰ متر مکعب را راهاندازی کرد که مبتنی بر غنیسازی هیدروژنی بازیافت گاز بالاسری تحت شرایط اکسیژن خالص بود؛ نتایج شامل ۳۰–۴۰٪ افزایش ظرفیت تولید و بیش از ۳۰٪ کاهش مصرف سوخت جامد گزارش شد. پیشتر در سال ۲۰۲۱، شرکت شانشی جیننان در مقیاس صنعتی موفق به تزریق مداوم هیدروژن به BF شد و با کاهش متوسط ۳۶ کیلوگرم سوخت بهازای هر تن و حدود ۵.۶٪ کاهش انتشار CO₂ همراه بود.
• در اروپا، شرکت تیسنکروپ استیل آلمان در ۲۰۱۹ نخستین شرکت جهان شد که هیدروژن را به یک کوره بلند در حال بهرهبرداری تزریق کرد و نشان داد که تا ۲۰٪ از انتشار CO₂ را میتوان با جایگزینی جزئی کک با تکنولوژی هیدروژن در فولادسازی اجتناب کرد. شرکتهای دیلینگر و زارشتال آلمان نیز در حال توسعه تزریق گاز کوره کک هستند و قصد دارند به سمت تزریق خالص هیدروژن در دو کوره حرکت کنند و هدفشان ۴۰٪ کاهش CO₂ تا سال ۲۰۳۵ است. در اسپانیا، کارخانه آرسلورمیتال آستوریاس از ۲۰۲۱ تزریق هیدروژن (استخراجشده از گاز طبیعی و گاز کوره کک) را آغاز کرده و پروژههای مشابهی در برمن و دانکرک نیز در حال بررسی است.
چالشهای فنی تزریق هیدروژن در کوره بلند
کورههای بلند برای استفاده از کک بهینهسازی شدهاند، بنابراین سازگاری آنها با تزریق هیدروژن نیازمند تغییرات اساسی است. با توجه به سرمایهگذاری سنگین موردنیاز برای بازتوانی BFها جهت همسوزی هیدروژن، این پرسش پیش میآید: آیا این اقدام گامی عملی بهسوی آیندهای کمکربن است یا انحرافی پرهزینه از سرمایه که تنها کاهش نسبی انتشار را به همراه دارد؟ برخی چالشهای فنی اصلی عبارتاند از:
1. مسئله مقیاس: کورههای آزمایشی صدها برابر کوچکتر از نمونههای صنعتی هستند و معلوم نیست عملکرد مشابه در مقیاس صنعتی به دست آید. در چین، در یک BF با حجم ۱۸۶۰ متر مکعب، کاهش انتشار تنها ۵.۶٪ بوده است.
2. افزایش احتمالی مصرف انرژی: بسیاری از حرارت و گازهای زائد فرایند فولادسازی بازیافت میشوند. انتقال گاز کوره کک (با حدود ۵۵٪ هیدروژن) به سمت BF ممکن است نیاز به خرید برق یا سوخت اضافی ایجاد کند. واکنش احیای سنگآهن با هیدروژن گرماگیر است و میتواند مصرف انرژی کل را افزایش دهد.
3. مشکلات پایداری فرایند: کک علاوه بر عامل کاهنده، استحکام مکانیکی کوره را تأمین میکند. هیدروژن چنین خاصیتی ندارد و میتواند جریان گاز و تعادل حرارتی را مختل کند.
4.فرسایش نسوز کوره: آجرهای نسوز BF برای شرایط مبتنی بر کک طراحی شدهاند. تزریق هیدروژن محیطی اکسیدکنندهتر و ناپایدارتر ایجاد میکند که موجب تخریب زودهنگام نسوز میشود. استفاده ایمن از هیدروژن در سطح بالا مستلزم بازچینی پرهزینه کوره با مواد مقاومتر است.
کارایی کاهش انتشار گازهای گلخانهای با هیدروژن
بررسی مطالعات نشان میدهد که تحت شرایط شبیهسازیشده BF، حدود ۲.۱ تا ۲.۸ کیلوگرم هیدروژن بهازای هر تن فولاد خام لازم است تا تنها ۱٪ کاهش CO₂ حاصل شود. محاسبات تئوریک کمی پایینتر (حدود ۱.۷–۲.۴ کیلوگرم) است.
در فرآیند H₂-DRI، مقدار متناظر حدود ۰.۷ کیلوگرم هیدروژن بهازای هر تن فولاد خام است — یعنی حدود ۴۰٪ یا کمتر از نیاز تزریق هیدروژن به BF.
همچنین، فرآیند H₂-DRI برای احیای کامل سنگآهن به آهن اسفنجی به حدود ۶۲ کیلوگرم هیدروژن بهازای هر تن فولاد خام نیاز دارد، در حالی که برای دستیابی به کاهش ۲۱.۴–۲۶.۱٪ CO₂ در BF، حدود ۲۹–۳۴ کیلوگرم هیدروژن لازم است.
این نتایج دو مشکل کلیدی را نشان میدهند:
• استفاده از هیدروژن در BF تنها نصف بهرهوری DR Shaft دارد.
• سقفی برای استفاده از هیدروژن در BF وجود دارد که مانع از سبز بودن واقعی این روش میشود.
در واقع، بخش قابلتوجهی از هیدروژن تزریقشده در BF بدون واکنش از بالای کوره خارج میشود.
جمعبندی
در نرخهای تزریق بالاتر، کورههای بلند نیازمند حجم عظیمی از هیدروژن خواهند بود، اما بازده کاهش انتشار پایین باقی میماند. بنابراین، برای اجتناب از هر تن CO₂ باید مقدار بیشتری هیدروژن مصرف شود که هزینهها را بالا میبرد و اثربخشی کلی را کاهش میدهد.
نکته مهم این است که تزریق هیدروژن در BF هرگز نمیتواند به انتشار نزدیک به صفر دست یابد و همواره حجم زیادی از CO₂ باقی خواهد ماند — حجمی که در آینده با افزایش قیمت کربن و فشارهای قانونی به یک هزینه سنگین تبدیل میشود.
در مقایسه با H₂-DRI، تزریق هیدروژن در صنعت فولاد به BF نهتنها کاهش انتشار کمتری به همراه دارد بلکه سقف عملیاتی آن همچنان نامشخص است. در حالی که کاهش قیمت هیدروژن پیشبینی میشود رقابتپذیری H₂-DRI را تقویت کند، هزینه آینده تزریق هیدروژن در BF مبهم باقی میماند و احتمالاً تحت تأثیر قیمت کربن و هزینههای اضافی مدیریت CO₂ باقیمانده قرار خواهد گرفت.
بهطور خلاصه: تزریق هیدروژن در کوره بلند، فناوری گذار است و تنها کاهش نسبی انتشار ایجاد میکند، اما H₂-DRI مسیر پایدارتر، کارآمدتر و نزدیک به صفر انتشار برای آینده فولاد است.
